Anwendungen von Magnesiumlegierungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Revolution der Gewichtsreduzierung: Von Gram-Klasse-Satellitenhalterungen zu Tonnen-Klasse-Raketenhülsen

Warum Magnesium?

Mit einer Dichte von 1,74 g/cm3 – nur ein Viertel der Dichte von Stahl und zwei Drittel der Dichte von Aluminium – hat Magnesium eine spezifische Festigkeit von mehr als 30% höher als Aluminiumlegierungen.überlegene Schwingungsdämpfungs-Eigenschaften im Vergleich zu TitanlegierungenWenn Flugzeughersteller die Kosten in Gramm messen, werden Magnesiumlegierungen zur natürlichen Wahl:Wenn man das Gewicht eines Kampfflugzeugs um 15% reduziert, kann man die Abflugstrecke um 15% verkürzen und die Reichweite um 20% erhöhen.Für jedes in einer Satellitenkonstruktion eingesparte Gewicht von 1 kg kann das Trägerflugzeug 50 kg weniger Treibstoff transportieren, und Bodenstützwerke können zusätzlich 100 kg sparen.

II. Anwendungsgeschichte: Eine steinige Straße, aber wieder auf den Weg

1920 wurden Magnesiumlegierungen in den Rahmen der deutschen Zeppelins verwendet; während des Kalten Krieges verwendeten die USA und die Sowjetunion Magnesiumlegierungen in Bombern und Raketenhüllen,Aber ihre kurze Lebensdauer und Korrosionsprobleme wurden von den Kriegsforderungen überschattet.In den 1970er und 1980er Jahren stiegen die Aluminiumlegierungen in den Vordergrund, was zu einem starken Rückgang der Verwendung von Magnesiumlegierungen führte.Die Nachfrage nach einer Verringerung des Gewichts von Fahrzeugen führte zu technologischen Durchbrüchen"Durch die Entwicklung von Magnesium-Legierungen und die Entwicklung von Mikro-Bogen-Oxidation und chemischen Beschichtungen entwickelte sich die Luft- und Raumfahrtindustrie wieder auf Magnesium-Legierungen zu konzentrieren, was zu einem zweiten Frühling führte".

III. Magnesium in den heutigen Himmeln

1. Flugzeuge mit Festflügeln

• Der C919 verwendet Magnesiumlegierung ZK60 für die Sitzrahmen, wodurch das Gewicht pro Flugzeug um 18 kg reduziert und jährlich 35.000 Liter Kraftstoff eingespart werden;
• Die Boeing 787 verwendet die Elektron®43 Magnesium-Seltene-Erden-Legierung für Kabinenquerschnittsbalken und elektronische Ausrüstungsstützen, ersetzt Teile aus Titanlegierung und reduziert das Gewicht um 25%.

2Helikopter

Die neue Helikopter-Generation "King of the Plateaus" verwendet einen primären Tragrahmen aus Mg-Gd-Y-Zn-Zr Magnesium aus seltenen Erden.Verringerung des Gewichts um 18% im Vergleich zur ursprünglichen Aluminiumlegierung und Erhöhung der Fahrtobergrenze um 300 m.

3. Raketen und Drohnen

• Die deutsche Stand-off-Rakete Taurus KEPD-350 verwendet 100 kg Magnesiumlegierung (GW83, ZK61) in der gesamten Rakete für Verstärkungsrahmen und Steueroberflächen,mit einer Reichweite von 350 km und einer Machzahl von 0.9;
• Das Gehäuse einer gewissen inländischen leichten 145-mm-Kaliber-Rakete verwendet nahtlose Magnesiumlegierung Extrusionsröhren,Verringerung des Gewichts um 30% im Vergleich zu Aluminiumgehäusen der gleichen Spezifikationen und Erhöhung der Reichweite um 12%.

4. Satelliten und Raumfahrzeuge

• Das Elektronikgebäude der Chang'e-3-Mission verwendet monolithische Magnesiumlegierungsplatten, die das Gewicht um 13 kg reduzieren und thermische Steuerung, elektrische Leitfähigkeit,und Korrosionsbeständigkeit durch Mikrobogenoxidation;
• Ein Fernerkundungssatellit, der 2022 gestartet wurde, beinhaltete Magnesium-Lithium-Legierungshülsen, eingebettete Komponenten und Satelliten-Abstandsschalter in der Massenproduktion,Verringerung des Gesamtgewichts des Satelliten um 8% und direkte Erhöhung der Nutzlast um 15 kg.

IV. Schlüsseltechnologien: Sicherstellung einer zuverlässigen Flucht von Magnesium

1. Legierungs-Upgrades

Mg-RE-Legierungen (seltener Erden) haben bei 300 °C eine Kriechfestigkeit von 200 MPa; Mg-Li-Legierungen haben eine auf 1,5 g/cm3 reduzierte Dichte und einen um 20% erhöhten Elastizitätsmodul,mit einer Breite von mehr als 20 mm,.

2. Korrosion und Schutz

Eine Mikro-Bogen-Oxidation + elektrochemische Ni-P-Graphen-Verbundbeschichtung erzielt eine Salzsprüh-Lebensdauer von 1.000 Stunden bei einem Wärmeleitverlust von < 5%Lösung von Korrosions- und Wärmebelastungsproblemen während der gesamten 15-jährigen Lebensdauer des Satelliten.

3. Bildung und Vereinigung

• Das Vakuum-gestützte Halbfesteformverfahren (Thixomolding) ermöglicht die Herstellung komplexer, dünnwandiger Schalen mit einer Dünnheit von 0,5 mm und einer Erstpassleistung von 95%.
• Das Laserschweißen überwindet die Herausforderung unterschiedlicher Magnesium-Stahlverbindungen, verdreifacht die Müdigkeit und wird in Motorhalterungen verwendet.

V. Der Weg Chinas: Von einer Ressourcenreichen Nation zu einer Luft- und Raumfahrtmacht

China belegt den ersten Platz in der Welt sowohl in Magnesiumreserven als auch in der Produktion.Das Changsha New Materials Research Institute der China Aerospace Science and Industry Corporation, und das Team der Shanghai Jiao Tong Universität haben eine integrierte Kette eingerichtet, die "Legierungsdesign" "Prozessoptimierung" "Oberflächenbehandlung" "Verifizierung an Bord" umfasst:

• Die Verwendung von Magnesiumlegierungen in der Luftfahrt wird voraussichtlich 2024 auf etwa 20 000 Tonnen ansteigen, wobei bis 2030 geplant ist, diese Zahl auf über 50 000 Tonnen zu erhöhen.
• Das nationale Schlüsselprogramm für Forschung und Entwicklung stellt jährlich 300 Millionen Yuan zur Verfügung.Konzentration auf "Flaschenhals"-Komponenten wie große Magnesiumlegierungsmodul-Abschnitte der 20-Tonnen-Klasse und wiederverwendbare Raketenbrennstofftanks.

VI. Zukunftsperspektiven

Wiederverwendbare Trägerraketen, Hyperschallflugzeuge und eVTOL-Stadtmobilität werden Magnesiumlegierungen auf neue Höhen treiben:

• Additive Manufacturing (WAAM) druckt mit einer Geschwindigkeit von 1,5 kg/h 1-Meter-Klasse monolithische Magnesiumlegierungskontrolloberflächen, wodurch ein Gewichtsverlust von 35% erreicht wird.
• Die KI-gestützte Legierungskonstruktion wird den Entwicklungszyklus für neue Sorten von drei Jahren auf sechs Monate verkürzen.
• Grüne geschlossene Recyclingtechnologie reduziert den CO2-Fußabdruck von recyceltem Magnesium auf < 2 kg CO2/kg, was den Zielen der CO2-Neutralität entspricht.

Von Gramm-Satellitenaufstellungen bis hin zu Metristonnen-Raketenhülsen erweisen sich Magnesiumlegierungen als das “leichteste Metall"